고압은 무엇인가?

고압은 무엇인가?

고압의 세계

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지구상에서 고압의 세계라는 것은 바다 속에 존재하고 있습니다.

심해 3000m~6000m에서는 30MPa~60MPa, 가장 깊다고 하는 마리아나 해구는 10000m나 되고 100MPa에 가까운 압력이 됩니다.그 외, 심해의 화산구, 열수 분출구 부근에서는 압력·온도 모두 높고, 자연의 초임계 상태로 되어 있는 것이 확인되고 있습니다.이 근처에서는 활발히 유기물의 합성·생성이 이루어지고 있는 것으로부터 초임계가 원시 지구에서의 아미노산 탄생과 관련되어 있다는 설이 유력합니다.

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압력이란 어떤 것인가?

0.1MPa라는 것은 표준 대기압으로 1기압이라고 불리는 압력이라고 할 수 있습니다.

0.1MPa를 힘으로 나타내면 약 1kg/m2로 마리아나 해구 바닥과 같은 압력의 100MPa는 1000기압(지상의 1000배)에 이릅니다.

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밀폐된 용기 안에서 압력이 올라가면?

밀폐된 용기 안에서 압력이 높아지면 용기 안의 분자밀도가 높아지고 밀도가 높아지면서 분자가 벽 등에 부딪히는 경우가 많아집니다.분자가 많이 부딪칠수록 힘(압력)이 증가하여 더욱 분자들이 서로 부딪치는 횟수가 많아질수록 분자는 다양한 방향으로 흩어지게 되고 이것이 확산력의 강도로 나타나게 됩니다.

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초임계란?

최근 아임계수나 초임계수가 여러 분야에서 연구되게 되었습니다.

초임계란 유체의 하나의 상태입니다.일반적으로 유체에는 고체·액체·기체가 있습니다.이 변화는 온도 변동에 연동합니다.예를 들어 물이 온도에 따라 얼음→물→수증기가 되는 것과 같습니다.그럼 이 온도만의 1차적인 변화에 압력을 가해 보면 어떻게 될까요?

닫힌 공간에서 물을 가열해 가는 것을 상상해 보세요.처음에는 증기가 나오고 있습니다.포화 수증기량을 초과하여 계속 나오는 증기는 압력과 밀도를 증가시켜 가면서 물의 밀도와 다르지 않게 됩니다.이 물과 수증기의 밀도가 동일하게 된 상태가 임계점이라고 불리는 상태입니다.

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초임계의 특성?

초임계란 임계점에, 한층 더 압력·열을 가해 가는 것으로 액체도 기체도 아닌, 양쪽 모두의 특징을 가지는 상태입니다.즉, 초임계는 액체와 기체 모두 다른 성질을 가집니다.

초임계 유체는 임계점을 조금 넘은 영역에서 약간의 압력 변화에 의해 밀도가 크게 변화합니다.따라서 압력의 변화로 용매 특성의 연속적, 대폭적인 제어가 가능합니다.이로 인해 가령 초임계유체에 의해 특정물질을 추출하는 경우에는 초임계유체의 압력과 온도를 조작함으로써 유체의 용해도를 변화시키고, 통상은 용해되지 않는 것을 초임계 상태로 유체에 용해시켜 유체를 상압으로 돌려놓음으로써 분리시키기도 합니다.

 

초임계 유체 트렌드?

지금까지 많이 사용되고 있는 것은 이산화탄소(CO2)에 의한 초임계 유체입니다.CO2의 경우, 31.1°C·7.38MPa로 비교적 저온·저압으로 초임계 상태가 되므로, 장치 자체도 간소화할 수 있습니다.이에 반해 물(H2O)은 374.2°C, 22.12MPa에서 초임계 상태가 되므로 장치에 대해 온도와 압력에 대한 대책이 필요하지만 반응성이 높아 난분해물질의 분해나 특수조건에서의 반응에 대해 이용됩니다.또한 물의 경우는 초임계까지 도달하지 않는 아임계 상태에서도 높은 분해능력을 발휘하기 때문에 최근에는 아임계수에 의한 반응장치도 늘고 있습니다.

초임계의 활용?

초임계 유체는 상압 상태와는 다른 성질을 가짐으로써 다양한 용도가 기대되고 있습니다.대표적인 용도는 물체에서 특정 물질의 추출과 세정입니다.현재, 초임계를 사용해 제품화·상품화되고 있는 것이 몇개인가 있습니다만, 이것들은 1980~1990년대에 연구·장치 제조가 이루어진 것이 대부분입니다.

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초임계에 의한 추출

초임계에 의한 추출에서는, 예를 들면 이하와 같은 활용을 하고 있습니다.

닥이나 카레등의 냄새 성분을 추출하고, 레토르트 식품등으로 냄새를 붙인다.

장미의 정유(아로마 오일)나 서지 오일(종자) 등 기름 성분을 추출한다.

프로폴리스나 DHA등의 고부가 가치 유용 성분을 추출한다.

카페인리스 커피와 같이, 카페인만을 한정적으로 적출해 제거한다.

 

초임계에 의한 세정

대표적인 것은 클리닝이지만, 그 외에도 여러 가지 응용을 생각할 수 있습니다.

의복을 손상시키지 않고, 더러움만을 흡착·제거하는 초임계 클리닝.

반도체 웨이퍼의 세정(미크론 레벨의 쓰레기를 제거해, 웨이퍼를 손상시키지 않는다).

의료 폐기물의 세정 처리(유해가 되는 잡균을 사멸시킨다).

각종 장치

잔류 농약 검출 장치, 다이옥신 분해 장치, 초임계 크로마토 장치, 연속식 초임계 장치, 알킬화 시험 장치 등, 다양한 장치의 제조와 주로 환경에 관해서와 고성능화에 관한 장치가 많아, 현재도 NEDO등의 사업과 관련되어, 바이오매스의 유효 이용에 관한 연구를 진행하고 있습니다.

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밀봉재

고온 고압 상태를 유지하기 위해 용기에는 밀봉재가 필요합니다.이 씰재도 온도, 압력에 따라 유체에 반응하므로 초임계 장치의 온도대, 압력대에 따라 씰 재료의 재료를 선정합니다.

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고압 용기의 억제 기구

고압용기 내의 고압을 유지하기 위해 안전을 고려한 누름기구를 채용해야 합니다.저압력의 경우 개폐가 용이한 클램프식, 고압력의 경우 개폐는 번거롭지만 고압력에 견디는 록 클램프식 등 누름 기구를 채용함니다.

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창이 달린 고압 용기

고온 고압 상태에서의 반응 모습을 관찰하기 위해 엿보는 창이 달린 고압 용기를 채용하는 경우도 있습니다.이 경우, 안내창의 소재로서 사파이어 유리(비교적 낮은 압력이면 강화유리)를 이용하고 있으며, 지금까지는 650°C·50MPa 조건하에 견디는 감시창이 달린 고압 용기를 제작할 수 있습니다.

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슬러리 펌프

슬러리 상태의 점성 유체를 장치로 보내기 위해서는 슬러리 펌프라고 불리는 펌프가 필요합니다.이 슬러리 펌프에서는 송출하는 슬러리를 교반기에 의해 균일하게 혼합하는 등의 궁리를 가하는 경우가 있습니다.송출 압력에 따라 펌프 기구는 다르지만 일반적으로 20MPa의 고압을 가할 수 있는 1축 듀얼식 펌프를 이용합니다.

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고압 배관과 이음

고압배관의 설계는 주로 1. 내압에 의한 응력, 2. 냉간굽힘 가공에 의한 응력, 3. 진동에 의한 응력, 4. 열팽창에 의한 응력, 5. 용접에 의한 응력, 6. 배관 이외의 중량에 의한 응력 등을 고려하여 이루어집니다.(3.~6.은 상황에 따라 무시할 수 있는 경우도 있습니다).또한 배관끼리 연결하는 이음매도 중요하며 압력에 의한 파손이 일어나지 않도록 내압을 이용하여 배관을 밀착시키는 기구 조인트도 많이 사용합니다.

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고압 가능성

압력이 높은 세상은 우리가 살고 있는 세계와는 다른 법칙으로 시간이 흘러갑니다.이러한 세계가 해저나 지구 내부에는 실제로 존재하고 있는 것입니다.평소 생활에서는 별로 상관없는 일입니다만, 지구상에 존재하는 다양한 광물재료 등은 그 법칙 속에서 만들어졌다는 것을 생각하면, 소재개발 등에 관한 압력이라는 것은 중요한 요소라고 생각합니다.

또, 그 외의 분야에 있어도 생각지도 않았던 반응이나 결과를 나타내는 것이 고압이라고 하는 환경입니다.새로운 것을 산출한다고 하는 점에서는 가능성이 많아, 아직 미지의 가능성을 내포한 영역이라고 말할 수 있습니다.

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